馮偉東徐文李國(guó)瑩

揮發(fā)霧化式燃油加熱器霧化系統(tǒng)積碳問題的研究

馮偉東1徐文1李國(guó)瑩2

1、吉林工商學(xué)院生物工程學(xué)院2、吉林長(zhǎng)春威貝車輛技術(shù)有限公司

汽車燃油加熱器霧化系統(tǒng)是燃燒器的關(guān)鍵裝置，工程設(shè)計(jì)上需要有足夠的霧化能力來滿足燃燒功率，同時(shí)還需避免產(chǎn)生大量積碳，以滿足加熱器長(zhǎng)期使用和免維護(hù)的要求。本文通過仿真燃燒器進(jìn)氣射流速度場(chǎng)和靜壓場(chǎng)，從燃燒器穩(wěn)焰燃燒原理的角度，分析了霧化裝置產(chǎn)生積碳的機(jī)理，并通過試驗(yàn)給出了滿足工程應(yīng)用的數(shù)據(jù)，對(duì)燃燒器霧化裝置的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

燃油加熱器；旋轉(zhuǎn)射流；霧化器積碳；冷焰燃燒

1引言

避免汽車燃油加熱器出現(xiàn)燃燒積碳問題，是燃燒器開發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)。燃燒器是液體燃料霧化、著火、火焰穩(wěn)定及熄火過程的整個(gè)化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，是決定著加熱器的功率、廢氣排放成分甚至噪音的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在加熱器的長(zhǎng)期使用中，產(chǎn)品容易出現(xiàn)積碳甚至燃油焦化的問題，導(dǎo)致霧化裝置失效，進(jìn)而引起難于點(diǎn)火、污染排放、燃燒效率下降等諸多不良問題，因此設(shè)計(jì)一種不容易出現(xiàn)積碳和燃油焦化的高可靠性的霧化器，探究其中的設(shè)計(jì)原理，是非常重要的工程問題。

2穩(wěn)焰燃燒問題的提出

因?yàn)榧纫┙o霧化器熱量來提高燃油的溫度，以滿足足夠的蒸發(fā)率，又要避免供給過多的熱量防止燃油過早燃燒使燃油沒有氣化就直接燒結(jié)，阻塞油氈的進(jìn)油毛細(xì)通路，就需要在霧化區(qū)域施以合適的能量來持續(xù)供給一定的溫度。

實(shí)際上，這種解決方式是靠煙氣回流產(chǎn)生的燃燒來持續(xù)供給霧化器熱量的，而煙氣回流燃燒的高溫中心相對(duì)于霧化器蒸發(fā)油氈上燃油層的距離非常關(guān)鍵，熱量主要通過熱輻射來預(yù)蒸發(fā)油氈上的燃油，這種原理和航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的T型管主要靠傳導(dǎo)傳遞蒸發(fā)所需熱量的原理不同。

由于燃燒器上霧化器壁設(shè)計(jì)較薄，又有外面冷空氣的高速流動(dòng)換熱，因此由燃燒高溫區(qū)域?qū)φ舭l(fā)器的傳導(dǎo)的熱量是次要的，而主要是通過內(nèi)部空間直接輻射來完成熱量的傳遞。為了分析一下這些能量的來源，先從汽車加熱器點(diǎn)燃過程來考慮。

首先，在加熱器燃燒器著火階段，燃燒采用了強(qiáng)迫點(diǎn)火的方式，如圖1所示。

圖1　燃燒器的強(qiáng)迫點(diǎn)火

圖中所示，采用陶瓷電熱塞通電發(fā)熱來霧化燃料并使燃料混合物達(dá)到著火臨界條件，即合適的當(dāng)量比、合適的著火壓力和著火溫度。燃料著火后，關(guān)閉電熱塞電源，此時(shí)局部的燃燒反應(yīng)會(huì)沿著燃燒器內(nèi)部有規(guī)律地傳播，并通過一定方式穩(wěn)定火焰使燃燒過程持續(xù)下去，如圖2所示。

圖2　燃燒器的穩(wěn)焰燃燒

穩(wěn)焰是指保持燃燒反應(yīng)速率為定常，使一部分火焰在燃燒器的某個(gè)空間位置駐定燃燒，從而維持整個(gè)燃燒火焰的存在，這是持續(xù)燃燒的前提。

燃油加熱器的揮發(fā)霧化式燃燒一般在燃燒室內(nèi)采用氣流的旋轉(zhuǎn)射流方式來穩(wěn)定火焰。

3旋轉(zhuǎn)射流的數(shù)學(xué)模型

強(qiáng)旋流的一個(gè)重要參數(shù)是旋流強(qiáng)度［1］，旋轉(zhuǎn)射流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度用無因次量Ω來表示：

式中：L0為流體進(jìn)入霧化室時(shí)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)量矩；K0為出口斷面的平均動(dòng)量；d為出口斷面水力直徑，旋轉(zhuǎn)射流示意圖［3］由圖3來表示。

圖3　旋轉(zhuǎn)射流示意圖

在不同的Ω下無因次流量Qv/Qv0的關(guān)系式［1］為：

式中：Qv0是噴口出口斷面上流量；Qv為沿著射流縱軸x所在的截面流量回流流量，公式［1］為：

圖4為無因次回流流量Qv/Qv0沿著x/d的變化情況［1］。

圖4　無因次回流流量變化圖

從圖中4中可以看出，隨著Ω增大，回流流量顯著增大，并且不管Ω如何變化，最大的無因次回流流量都出現(xiàn)在x/d=0.5處，實(shí)驗(yàn)表明燃燒高溫中心一般就在最大回流量的附近。

4數(shù)值仿真

4.1幾何建模

空氣在燃燒器內(nèi)的流動(dòng)可以用Pro/E軟件對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)幾何建模，用CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格有限元仿真分析。這里采用湍流k-epsilon模型，其模型方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程、湍流能量方程和耗散方程。仿真的目的是看到旋轉(zhuǎn)射流引起靜壓強(qiáng)的分布以及射流的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖5　燃燒器幾何建模的剖面圖

4.2邊界條件

設(shè)定邊界條件為：采用湍流k-epsilon模型，湍流層流粘性比為100，湍流度為0.04，湍流系數(shù)ce1=1.44，系數(shù)ce2=1.92，系數(shù)cmu=0.09，空氣進(jìn)氣流量為2.46L/s，出口壓力為2KPa，迭代步數(shù)為650，瞬時(shí)收斂曲線斜率為0.001，時(shí)均收斂曲線斜率為0.03。劃分網(wǎng)格單元數(shù)1197564個(gè)。

圖6　燃燒器幾何模型的網(wǎng)格劃分

4.3仿真結(jié)果

在x=20mm垂直x軸截面A排進(jìn)氣孔形成的旋轉(zhuǎn)氣流仿真圖形如圖7、圖8。

圖7　x=20mm橫截面的速度矢量圖

圖8　x=50mm旋轉(zhuǎn)射流軌跡圖x=20mm位置垂直x軸截面靜壓強(qiáng)分布仿真圖形如圖9。

圖9　x=20mm處橫截面靜壓強(qiáng)分布圖

圖10　通過x軸y=0方向

截面的靜壓強(qiáng)分布圖由圖10可知中心淡藍(lán)色的部分靜壓強(qiáng)要比周圍氣流壓強(qiáng)要低。可見，強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)射流產(chǎn)生的離心力改變了燃燒區(qū)域內(nèi)部靜壓強(qiáng)分布，出現(xiàn)了從射流軸線沿徑向至射流邊界的壓強(qiáng)降低，低壓中心吸入射流前方高溫?zé)煔猓谏淞鲀?nèi)部形成了高溫?zé)煔獾幕亓鳌?/p>

5試驗(yàn)

根據(jù)公式（3）和圖4所示，并且不管Ω如何變化，最大的無因次回流流量都出現(xiàn)在x/d=0.5處，因此我們可以根據(jù)控制強(qiáng)旋流最大回流量的位置，來設(shè)計(jì)旋流孔的位置，從而使燃燒高溫中心相對(duì)油氈的調(diào)整到合適的距離，以滿足合適的蒸發(fā)溫度的需要。

5.1試驗(yàn)方案

我們以油氈平面處為x=0的起始點(diǎn)，直徑3mm的A排圓孔陣列在射流燃燒室距離邊緣20mm處，B排在30mm處，C排在40mm處，改變A排位置為不同的x值，來制作了不同位置進(jìn)氣圓孔陣列的燃燒筒，B位置和C位置相對(duì)A位置不變，x0的值分別取12，20，30。分布如圖11所示。

圖11　射流燃燒室孔的位置分布

以x=20mm為例，用k型熱電偶從進(jìn)氣通道伸入并綁定在測(cè)量x=40mm位置1和蒸發(fā)器油氈表面位置2，測(cè)量這兩個(gè)位置在燃料93#汽油燃燒10min穩(wěn)定時(shí)的溫度，重復(fù)測(cè)試5次取平均值，每次燃燒20min來觀察蒸發(fā)霧化器的積碳情況。

5.2試驗(yàn)結(jié)果

表1　A組進(jìn)氣孔不同位置陣列參數(shù)

表2　積碳試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

5.3試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在熱電偶2點(diǎn)處的溫度在250～350℃時(shí)，蒸發(fā)器積碳情況良好，熱電偶1點(diǎn)溫度始終保持在1100～1300℃，x0=20mm基本可以保證熱電偶1點(diǎn)的溫度范圍在理想范圍，積碳情況如圖12、圖13。

圖12　x0=12mm位置的積碳圖片

圖13　x0=20mm位置的積碳圖片

從燃燒火焰的區(qū)域來看，熱電偶2至x=12mm位置側(cè)，為油蒸發(fā)的空間，而另一側(cè)熱偶1的位置至外側(cè)x=40mm則是湍流燃燒的空間，火焰為明亮的黃色，溫度在1250℃左右，x=20mm位置到油氈表面火焰為淡藍(lán)色，這里是揮發(fā)油氣摻混后在500℃以下的冷焰燃燒區(qū)域。

圖14　x0=20mm實(shí)際燃燒情況

通過組織氣流影響回流中心位置，進(jìn)而調(diào)整高溫區(qū)域與油氈的距離，使高溫中心和油氈之間能形成一個(gè)燃油揮發(fā)和燃油冷焰燃燒的區(qū)域。

通過實(shí)驗(yàn)，可以找到導(dǎo)致蒸發(fā)器高溫?zé)狗e碳的主要原因，從而也可以找到保證燃油蒸發(fā)質(zhì)量的正確方法，正確設(shè)計(jì)進(jìn)氣旋流孔位置，這是揮發(fā)霧化式燃燒器霧化器避免積碳的重要設(shè)計(jì)思想。

6結(jié)論

（1）強(qiáng)旋流可產(chǎn)生高強(qiáng)度的流向渦，形成負(fù)壓中心，吸引火焰回流，穩(wěn)定火焰燃燒。

（2）可以利用穩(wěn)焰燃燒的回流位置來控制輻射熱量的大小，構(gòu)造500℃以下的低溫冷焰燃燒區(qū)域。

（3）油氈部位溫度在250～350℃，霧化效果良好，少有積碳現(xiàn)象。

（4）低溫燃燒是自燃燃燒，是蒸發(fā)的較高濃度的油氣在x=20mm位置被旋流空氣吸引并在回流煙氣輻射下共同作用的結(jié)果。

利用以上結(jié)論，可以使霧化裝置的油氈蒸發(fā)和湍流燃燒區(qū)域劃分明晰，較好地避免燃油高溫裂解結(jié)積碳的不良問題。

［1］龍?zhí)煊?，蔡增?流體力學(xué)［M］.第一版，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［2］寧榥，高歌.燃燒室空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社.1997.

［3］黃勇主編.燃燒與燃燒室［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［4］李國(guó)瑩.平蓋平縮口外螺旋進(jìn)氣的揮發(fā)霧化式駐車加熱器用燃燒器.中華人民共和國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局ZL20122187427.3.2012.